Giáo trình Nhập môn Công nghệ sinh học - PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:366

Thêm vào BST

Báo xấu

239
lượt xem 113
download

Giáo trình Nhập môn Công nghệ sinh học - PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc

Mô tả tài liệu

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Nhập môn công nghệ Sinh học do PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc biên soạn nhằm cung cấp cho các bạn những kiến thức về khái quát công nghệ sinh học; công nghệ sinh học phân tử; công nghệ sinh học vi sinh vật; công nghệ sinh học thực vật và động vật. Mời các bạn tham khảo tài liệu để bổ sung thêm kiến thức trong lĩnh vực này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhập môn Công nghệ sinh học - PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc

PGS. TS. Nguyễn Hoàng Lộc Giáo trình Nhập môn Công nghệ sinh học Nhà xuất bản Đại học Huế Năm 2007
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ Địa chỉ: 01 Điện Biên Phủ, Huế - Điện thoại: 054.834486 Chịu trách nhiệm xuất bản: Giám đốc: Nguyễn Xuân Khoát Tổng biên tập: Hoàng Hữu Hòa Người phản biện: PGS. TS. Lê Trần Bình Biên tập nội dung: PGS. Nguyễn Khải Biên tập kỹ thuật-mỹ thuật: Hoàng Minh Trình bày bìa: Nguyễn Hoàng Lộc Chế bản vi tính: Nguyễn Hoàng Lộc NHẬP MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC In 500 bản khổ 16×24 cm, tại Công ty In Thống kê và Sản xuất Bao bì Huế, 36 Phạm Hồng Thái, Huế. Số đăng ký KHXB: 151-2007/CXB/01-03/ĐHH. Quyết định xuất bản số: 07/QĐ-ĐHH-NXB, cấp ngày 12/4/2007. In xong và nộp lưu chiểu tháng 4 năm 2007.
Lời nói đầu Công nghệ sinh học là ngành khoa học ứng dụng hiểu biết của con người về các hệ thống sống để sử dụng các hệ thống này hoặc các thành phần của chúng cho các mục đích công nghiệp. Đây là một ngành mũi nhọn, hiện đang được cả thế giới quan tâm do có tốc độ phát triển nhanh chóng và đang tạo ra một cuộc cách mạng sinh học trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, y-dược, bảo vệ môi trường, vật liệu… Từ các sản phẩm công nghệ lên men truyền thống đến các sản phẩm của công nghệ sinh học hiện đại như: sinh vật biến đổi gen, động vật nhân bản, nuôi cấy tế bào gốc, công nghệ sinh học nanô... đã cho thấy phạm vi nghiên cứu và ứng dụng của công nghệ sinh học ngày càng mở rộng và đa dạng, hướng đến một sự phát triển mới là nền công nghiệp công nghệ sinh học. Điều này cho thấy công nghệ sinh học chính là sự phối hợp của khoa học và công nghệ để khai thác những kiến thức về các hệ thống sống cho các ứng dụng thực hành. nay công ngh trong nước và trên thế giới. Giáo trình Nhập môn công nghệ sinh học này cung cấp những kiến thức cơ bản cho sinh viên về công nghệ DNA tái tổ hợp, công nghệ lên men vi sinh vật, công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật, công nghệ protein cũng như một số ứng dụng của chúng trong lĩnh vực nông nghiệp, y học và môi trường. Giáo trình này mới được xuất bản lần đầu tiên nên khó tránh khỏi thiếu sót hoặc chưa đáp ứng được yêu cầu bạn đọc. Vì thế, chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để lần xuất bản sau được hoàn thiện hơn. Chúng tôi chân thành cảm ơn Quỹ Nâng cao chất lượng-Dự án Giáo dục đại học đã hỗ trợ chúng tôi biên soạn giáo trình này, PGS. TS. Lê Trần Bình đã đọc bản thảo và góp nhiều ý kiến quý báu. Tác giả
Phần I Các khái niệm và nguyên lý cơ bản Nhập môn Công nghệ sinh học 5
Chương 1 Mở đầu I. Định nghĩa công nghệ sinh học 1. Định nghĩa tổng quát Có nhiều định nghĩa và cách diễn đạt khác nhau về công nghệ sinh học tùy theo từng tác giả, nhưng tất cả đều thống nhất về khái niệm cơ bản sau đây: Công nghệ sinh học là quá trình sản xuất các sản phẩm trên quy mô công nghiệp, trong đó nhân tố tham gia trực tiếp và quyết định là các tế bào sống (vi sinh vật, thực vật, động vật). Mỗi tế bào sống của cơ thể sinh vật hoạt động trong lĩnh vực sản xuất này được xem như một lò phản ứng nhỏ. Đầu những năm 1980, đã bắt đầu hình thành công nghệ sinh học hiện đại là lĩnh vực công nghiệp sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào đã được biến đổi di truyền. Công nghệ sinh học hiện đại ra đời cùng với sự xuất hiện kỹ thuật gen. Cơ sở sinh học được áp dụng ở đây bao gồm sinh học phân tử, sinh học tế bào, hóa sinh học, di truyền học, vi sinh vật học, miễn dịch học, cùng các nguyên lý kỹ thuật máy tính... Có hai cách định nghĩa công nghệ sinh học một cách tổng quát nhất: - Do UNESCO (1985) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ sử dụng một bộ phận hay tế bào riêng rẽ của cơ thể sinh vật vào việc khai thác sản phẩm của chúng. - Do Trường Luật Stanford (1995) định nghĩa: Công nghệ sinh học là công nghệ chuyển một hay nhiều gen vào sinh vật chủ nhằm mục đích khai thác sản phẩm và chức năng của gen đó. Sự khác biệt rõ rệt nhất của hai định nghĩa trên thuộc về đối tượng tác động của công nghệ sinh học: UNESCO xem cơ quan, bộ phận, tế bào và chức năng riêng rẽ của sinh vật là đối tượng, trong khi đó Trường Luật Stanford lại coi gen là đối tượng tác động của công nghệ. Từ các định nghĩa trên, có thể phân biệt được hai nhóm công nghệ sinh học là: Nhập môn Công nghệ sinh học 6
1.1. Công nghệ sinh học truyền thống (traditional biotechnology) Bao gồm: + Thực phẩm lên men truyền thống (food of traditional fermentations) + Công nghệ lên men vi sinh vật (microbial fermentation technology) + Sản xuất phân bón và thuốc trừ sâu vi sinh vật (production of microbial fertilizer and pesticide) + Sản xuất sinh khối giàu protein (protein-rich biomass production) + Nhân giống vô tính bằng nuôi cấy mô và tế bào thực vật (plant micropropagation) + Thụ tinh nhân tạo (in vitro fertilization) 1.2. Công nghệ sinh học hiện đại (modern biotechnology) Bao gồm: + Nghiên cứu genome (genomics) + Nghiên cứu proteome (proteomics) + Thực vật và động vật chuyển gen (transgenic animal and plant) + Động vật nhân bản (animal cloning) + Chip DNA (DNA chip) + Liệu pháp tế bào và gen (gene and cell therapy) + Protein biệt dược (therapeutic protein) + Tin sinh học (bioinformatics) + Công nghệ sinh học nano (nanobiotechnology) + Hoạt chất sinh học (bioactive compounds) 2. Nội dung khoa học của công nghệ sinh học Công nghệ sinh học cũng có thể được phân loại theo các kiểu khác nhau. Xét về góc độ các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình công nghệ sinh học, có thể chia thành các nhóm sau: - Công nghệ sinh học thực vật (plant biotechnology) - Công nghệ sinh học động vật (animal biotechnology) - Công nghệ sinh học vi sinh vật (microbial biotechnology) Nhập môn Công nghệ sinh học 7
- Công nghệ sinh học enzyme hay công nghệ enzyme (enzyme biotechnology) Gần đây, đối với các nhân tố sinh học dưới tế bào còn hình thành khái niệm công nghệ protein (protein engineering) và công nghệ gen (gene engineering). Công nghệ protein và công nghệ gen xuyên suốt và trở thành công nghệ chìa khóa nằm trong công nghệ sinh học thực vật, công nghệ sinh học động vật và công nghệ sinh học vi sinh vật. Nhờ kỹ thuật đọc trình tự gen và kỹ thuật DNA tái tổ hợp, công nghệ gen đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn mang tính quyết định, mở ra những giai đoạn phát triển mới. Đó là nghiên cứu về toàn bộ genome của nhiều sinh vật, đáng chú ý là việc giải mã genome của con người và của cây lúa. Đó là việc hình thành cả một phương hướng nghiên cứu, ứng dụng và kinh doanh các sinh vật biến đổi gen (gentically modified organism-GMO) và các thực phẩm biến đổi gen (gentically modified food-GMF). Công nghệ protein có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong việc sản xuất ra các protein tái tổ hợp (recombinant protein) dùng làm dược phẩm điều trị các bệnh hiểm nghèo như interferon, interleukin, insulin... Mặt khác, tùy vào đối tượng phục vụ của công nghệ sinh học, có thể chia ra các lĩnh vực công nghệ sinh học khác nhau như: - Công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture) - Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm (biotechnology in food processing) - Công nghệ sinh học y dược (biotechnology in medicine- pharmaceutics) - Công nghệ sinh học môi trường (environmental biotechnology) - Công nghệ sinh học vật liệu (material biotechnology) - Công nghệ sinh học hóa học (biotechnology in chemical production) - Công nghệ sinh học năng lượng (biotechnology in energy production)... Một số tác giả cho rằng loài người đã áp dụng công nghệ sinh học từ rất lâu vào các hoạt động sản xuất, ví dụ: công nghệ sản xuất đồ uống (rượu, bia...) hoặc công nghệ sản xuất thực phẩm (men bánh mì, nước mắm, tương, chao...). Do đó, việc định nghĩa và phân loại công nghệ sinh học trong giai đoạn phát triển ban đầu có một ý nghĩa rất quan trọng để có những chính Nhập môn Công nghệ sinh học 8
sách đầu tư hợp lý và ưu tiên cho công nghệ sinh học. Dưới đây là các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh học hiện nay đang được quan tâm hàng đầu. 3. Các lĩnh vực ứng dụng của công nghệ sinh học 3.1. Công nghệ sinh học trong nông nghiệp Lĩnh vực nông nghiệp tuy không phải là mục tiêu phát triển hàng đầu của công nghệ sinh học ở nhiều nước công nghiệp trên thế giới, nhưng trên thực tế những hoạt động nghiên cứu và phát triển, sản xuất và thương mại hóa ở lĩnh vực này cũng được nhiều tập đoàn lớn quan tâm. Có thể nêu ba lĩnh vực chính là: - Giống cây trồng và vật nuôi nhân vô tính và chuyển gen mang những đặc điểm nông-sinh quý giá mà các phương pháp truyền thống không tạo ra được, đồng thời lại được bảo vệ thông qua bản quyền tác giả. - Các chế phẩm sinh học dùng trong bảo vệ cây trồng vật nuôi, như: vaccine, thuốc trừ sâu bệnh và phân bón vi sinh. - Công nghệ bảo quản và chế biến nông-hải sản bằng các chế phẩm vi sinh và enzyme. Giá trị nông sản được nâng lên nhiều lần và quy trình công nghệ đi kèm trang thiết bị là một dạng hàng hóa trong kinh doanh chuyển giao công nghệ. Ngoài ra có thể liệt kê thêm một số lĩnh vực khác: - Công nghệ sinh học chế biến thực phẩm: Các enzyme (amylase, rennin, β-galactosidase, invertase, gluco-isomerase, pectinase), các chất phụ gia thực phẩm (các chất tạo ngọt, hương vị, tạo màu, bột nở và làm ổn định, các vitamin, các amino acid, các chất chống oxy hóa, các chất bảo quản, các chất hoạt hóa bề mặt...). - Các loại thức ăn bổ sung cho chăn nuôi (kháng sinh mới...). - Các loại thuốc trừ sâu, diệt cỏ với tính đặc hiệu tăng lên (các sản phẩm Bt, các baculovirus, tuyến trùng ký sinh...). - Các hormone sinh trưởng thực vật (các cytokinin...). - Các hóa chất chẩn đoán bệnh cho động-thực vật. Nhập môn Công nghệ sinh học 9
3.2. Công nghệ sinh học trong y dược Có lẽ thành tựu công nghệ sinh học được thể hiện rõ nét nhất là ở lĩnh vực y học. Hiện nay, hầu hết các sản phẩm quan trọng sau đây đều được sản xuất trên cơ sở công nghệ sinh học, bao gồm các ứng dụng sau: - Các loại kháng sinh và các chất diệt khuẩn, các loại vitamin và chất bổ dưỡng, các loại amino acid và hỗn hợp của chúng trong dịch truyền, các loại vaccine và các loại hormone chữa bệnh. - Các bộ kit chuẩn dùng trong chẩn đoán bệnh và chẩn đoán hóa sinh trong y dược. - Cây trồng và vật nuôi được cấy chuyển những gen sản sinh ra các loại protein trị liệu đang là mục tiêu đầu tư của khá nhiều công ty y dược hàng đầu trên thế giới hiện nay. Cụ thể là nghiên cứu và sản xuất các dược phẩm, các kháng thể đơn dòng, interferon, các hormone (hormone sinh trưởng, insulin, erythropoietin, thrombopoietin...), các enzyme (urokinase, heparinase, alcohol dehydrogenase), các protein khác (các kháng nguyên đặc hiệu, albumin, antithrombin, fibronectin...), các kháng sinh, thuốc và vitamin mới, các dược phẩm có bản chất protein, các loại vaccine viêm gan B, C, HIV, cúm, sốt rét, viêm não, tả và các tác nhân gây bệnh tiêu chảy, các kit chẩn đoán như: chẩn đoán sự có mặt HIV, virus viêm gan B và C trong máu, một số chẩn đoán thai..., liệu pháp gen: điều trị các gen gây bệnh di truyền. Hiện nay, các công ty công nghệ sinh học y dược hàng đầu thế giới đang tập trung vào nghiên cứu tạo ra sản phẩm chống lại các căn bệnh như HIV/AIDS, các loại bệnh ung thư, tiểu đường, các bệnh tim mạch, các bệnh truyền nhiễm... 3.3. Công nghệ sinh học công nghiệp và chế biến thực phẩm Công nghệ sinh học công nghiệp bao gồm các lĩnh vực sản xuất các loại enzyme như amylase, cellulase và protease dùng trong công nghiệp dệt, công nghiệp xà phòng và mỹ phẩm, công nghiệp bánh kẹo, rượu bia và nước giải khát… Sau đây là các loại sản phẩm của công nghệ sinh học công nghiệp: - Công nghiệp hóa chất: Các hóa chất thông dụng (ví dụ: acrylamide) đều có thể sản xuất bằng công nghệ sinh học. Công nghiệp hóa học sẽ có Nhập môn Công nghệ sinh học 10
hiệu quả hơn nếu dùng các chất xúc tác sinh học (enzyme), tái sinh và xử lý các dung môi bằng con đường sinh học. - Quá trình chế biến tinh bột: Dùng các enzyme do công nghệ sinh học tạo ra để dịch hóa và đường hóa tinh bột thành glucose và chuyển hóa thành fructose. - Công nghiệp làm sạch: Các chất giặt tẩy hiện đại đuợc bổ sung protease và các enzyme khác làm sạch các vết bẩn protein, tinh bột và chất béo. - Công nghiệp bột gỗ và giấy: Nhu cầu của thị trường và bảo vệ môi trường ngày càng lớn đối với giấy ít chứa các hợp chất chlorine gây ô nhiễm. Quá trình sản xuất bột giấy hiện nay gây ô nhiễm rất nặng. Công nghệ sinh học đưa ra giải pháp sinh học để sản xuất bột giấy không gây ô nhiễm bằng cách sử dụng các loại nấm phân hủy lignin-cellulose để tạo bột. Các enzyme cũng được dùng nâng cao chất lượng sợi và chất lượng giấy. - Công nghiệp khai khoáng và phát hiện khoáng sản. Có hai công nghệ: lọc sinh học/oxy hóa sinh học các kim loại, xử lý ô nhiễm kim loại và tái sinh. Công nghệ lọc kim loại dùng các vi sinh vật có thể thu được các kim loại quí như đồng, kẽm và cobalt. Công nghệ xử lý sinh học ô nhiễm có thể áp dụng đối với các kim loại nặng. 3.4. Công nghệ sinh học môi trường Tuy là lĩnh vực khá mới nhưng sự phát triển và ứng dụng của công nghệ sinh học môi trường rất đáng kể. Mọi quá trình xử lý chất thải nếu không khép kín bằng xử lý sinh học thì khó có thể thành công trọn vẹn. Các hoạt động chính của công nghệ sinh học môi trường đang được chú trọng là: - Công nghệ phân hủy sinh học: Dùng các cơ thể sống phân hủy các chất thải độc tạo nên các chất không độc như nước, khí CO2 và các vật liệu khác. Bao gồm, công nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sự sinh trưởng của các vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn trong môi trường, công nghệ bổ sung vi sinh vật vào môi trường để phân hủy chất ô nhiễm, công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại và các chất ô nhiễm khác bằng thực vật và nấm. Nhập môn Công nghệ sinh học 11
- Dự phòng môi trường: Phát triển các thiết bị dò và theo dõi ô nhiễm môi truờng, đặc biệt trong việc dò nước và khí thải công nghiệp trước khi giải phóng ra môi trường. II. Sơ lược lịch sử hình thành công nghệ sinh học Công nghệ sinh học phát triển cho đến ngày nay, đã qua ba giai đoạn chính: - Công nghệ vi sinh. - Công nghệ tế bào (nuôi cấy mô và tế bào động-thực vật...). - Công nghệ sinh học hiện đại, tức công nghệ gen. Cũng có tác giả gắn quá trình phát triển nêu trên với ba cuộc cách mạng sinh học. - Cách mạng sinh học lần thứ nhất (đầu thế kỷ 20): sử dụng quá trình lên men để sản xuất các sản phẩm như acetone, glycerine, citric acid, riboflavin... - Cách mạng sinh học lần thứ hai (sau thế chiến thứ 2): sản xuất kháng sinh, các sản phẩm lên men công nghiệp như glutamic acid, các polysaccharide; trong đó có các thành tựu về đột biến, tạo các chủng vi sinh vật cho năng suất và hiệu quả cao, phát triển các quá trình lên men liên tục và phát hiện phương pháp mới về bất động enzyme để sử dụng nhiều lần... - Cách mạng sinh học lần thứ ba (bắt đầu từ giữa thập niên 1970): với các phát hiện quan trọng về enzyme cắt hạn chế, enzyme gắn, sử dụng plasmid làm vector tạo dòng, đặt nền móng cho một nền công nghệ sinh học hoàn toàn mới đó là công nghệ DNA tái tổ hợp. Hai giai đoạn đầu, công nghệ vi sinh và công nghệ tế bào, sử dụng hoạt động sinh học của các tế bào tách biệt, nhưng chưa biến đổi được cấu trúc di truyền của chúng, nên được xem là hai giai đoạn của công nghệ sinh học truyền thống. Phải đến cuộc cách mạng sinh học lần thứ ba như đã nêu trên, thì mới ra đời nền công nghệ sinh học hiện đại, giai đoạn phát triển cao nhất của công nghệ sinh học, mở ra kỷ nguyên mới của sinh học. Cũng có thể chia lịch sử hình thành và phát triển công nghệ sinh học theo các giai đoạn sau: Nhập môn Công nghệ sinh học 12
1. Giai đoạn thứ nhất Đã hình thành từ rất lâu trong việc sử dụng các phương pháp lên men vi sinh vật để chế biến và bảo quản thực phẩm, ví dụ sản xuất pho mát, dấm ăn, làm bánh mì, nước chấm, sản xuất rượu bia… Trong đó, nghề nấu bia có vai trò rất đáng kể. Ngay từ cuối thế kỷ 19, Pasteur đã cho thấy vi sinh vật đóng vai trò quyết định trong quá trình lên men. Kết quả nghiên cứu của Pasteur là cơ sở cho sự phát triển của ngành công nghiệp lên men sản xuất dung môi hữu cơ như aceton, ethanol, butanol, isopropanol… vào cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20. 2. Giai đoạn thứ hai Nổi bật nhất của quá trình phát triển công nghệ sinh học trong giai đoạn này là sự hình thành nền công nghiệp sản xuất thuốc kháng sinh penicillin, khởi đầu gắn liền với tên tuổi của Fleming, Florey và Chain (1940). Trong thời kỳ này đã xuất hiện một số cải tiến về mặt kỹ thuật và thiết bị lên men vô trùng cho phép tăng đáng kể hiệu suất lên men. Các thí nghiệm xử lý chất thải bằng bùn hoạt tính và công nghệ lên men yếm khí tạo biogas chứa chủ yếu khí methane, CO2 và tạo nguồn phân bón hữu cơ có giá trị cũng đã được tiến hành và hoàn thiện. 3. Giai đoạn thứ ba Bắt đầu từ những năm 50 của thế kỷ 20, song song với việc hoàn thiện các quy trình công nghệ sinh học truyền thống đã có từ trước, một số hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học đã hình thành và phát triển mạnh mẽ nhờ một loạt những phát minh quan trọng trong ngành sinh học nói chung và sinh học phân tử nói riêng. Đó là việc lần đầu tiên xác định được cấu trúc của protein (insulin), xây dựng mô hình cấu trúc xoắn kép của phân tử DNA (1953). Tiếp th - (Bảng 1.1). Nhập môn Công nghệ sinh học 13
. Y tế Dùng enzyme tạo các bộ cảm biến sinh học trong các thiết bị phân tích y tế. Sử dụng tế bào vi sinh vật, tế bào động- thực vật trong sản xuất thuốc (ví dụ: steroid) và tổng hợp các loại kháng sinh mới. Sử dụng enzyme trong chữa trị bệnh. Công nghiệp thực phẩm enzyme . Giám sát môi trường . chất chất ). (citric acid, itaconic acid, acetic acid...), sản xuất . Năng lượng . 4. Giai đoạn thứ tư Bắt đầu từ năm 1973, khi những thí nghiệm khởi đầu dẫn đến sự ra đời của kỹ thuật DNA tái tổ hợp được thực hiện và sự xuất hiện insulin-sản phẩm đầu tiên của nó vào năm 1982, cùng với thí nghiệm chuyển gen vào cây trồng cũng thành công vào năm này. Đến nay, công nghệ sinh học hiện đại đã có những bước tiến khổng lồ trong các lĩnh vực nông nghiệp (cải thiện giống cây trồng...), y dược (liệu pháp gen, liệu pháp protein, chẩn đoán bệnh...), công nghiệp thực phẩm (cải thiện các chủng vi sinh vật...)... Những thành công này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong Phần II-Các ứng dụng của công nghệ sinh học. Nhập môn Công nghệ sinh học 14
III. Một số khía cạnh về khoa học và kinh tế của công nghệ sinh học hiện đại Các phương tiện thông tin đại chúng đã đăng tải không ít các ý kiến phản đối ứng dụng một số thành tựu công nghệ sinh học trong sản xuất, thậm chí đối với những thành tựu được giới khoa học đánh giá là sáng chói. Thật vậy, công nghệ sinh học cũng như khoa học hạt nhân, bên cạnh các ứng dụng to lớn cho lợi ích và phát triển của loài người, có thể còn mang lại nhiều hiểm họa không thể lường trước được hậu quả. Gần đây, khi các nhà khoa học xác nhận kỹ thuật nhân bản cừu Dolly hoàn toàn có thể áp dụng cho việc nhân bản con người, ở khắp các nước đã dấy lên một làn sóng phản đối việc nhân bản người, có nơi cấm hoàn toàn hướng nghiên cứu này. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu các hiểm họa tiềm tàng của công nghệ sinh học. 1. Về khoa học Sự dè dặt trong sử dụng các sản phẩm chuyển gen làm thực phẩm cho người và gia súc do nhiều lý do khác nhau, nhưng tựu trung có thể chia thành hai nhóm sau: - Bộ máy di truyền của sinh vật mang tính hoàn thiện rất cao vì đã tiến hóa qua hàng trăm triệu năm, những gen mới được gắn thêm vào cho cây trồng và vật nuôi để tăng năng suất hoặc chất lượng nông sản, biết đâu có thể phá vỡ tính hoàn thiện, tính cân bằng của sự sống ở các sinh vật này. Và vì thế, con người không thể yên tâm với việc hàng ngày nuốt vào cơ thể một số lượng lớn các sản phẩm thiếu tính hoàn thiện, cân bằng hay nói cách khác là có thể có dị tật. - Cho đến nay trong việc tạo ra các GMO, các gen kháng kháng sinh như kanamycin, ampicillin hoặc hygromycin thường được sử dụng kèm theo để làm gen chỉ thị chọn lọc. Chúng tồn tại trong sản phẩm của các GMO và có thể có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua dây chuyền thức ăn của sinh quyển đến con người. Mặc dù khả năng này là vô cùng thấp, thậm chí khi một gen kháng sinh được phát tán sang một sinh vật khác thì tác động của việc này cũng không đáng kể do các gen chỉ thị chọn lọc được sử dụng trong sinh vật chuyển gen có ứng dụng rất hạn chế trong thú y và y học. Tuy nhiên, để làm dịu những lo lắng của xã hội, các nhà nghiên cứu được yêu cầu tránh sử dụng các gen kháng kháng sinh trong sinh vật chuyển gen. Việc sử dụng gen chỉ thị thay thế khác đang được đánh giá và phát Nhập môn Công nghệ sinh học 15
triển. Hiện nay, người ta đang tìm cách thay thế các gen chỉ thị chọn lọc cũ bằng các gen có vẻ ít hại hơn như gen mã hóa protein phát huỳnh quang màu xanh lục (green fluorescence protein-GFP). Gen GFP được coi là một gen chỉ thị tốt, vì nó làm cho các GMO phát sáng xanh rực rỡ khi đặt dưới tia tử ngoại. Nhưng dù sao sự nghi ngại vẫn còn, vì gen GFP có nguồn gốc từ một loài cá ở Bắc Băng Dương, chứ không từ một động vật có nguồn gốc gần với người. 2. Về kinh tế 2.1. Những công ty đa quốc gia về công nghệ sinh học Tổ chức quốc tế nông nghiệp tiến bộ RAFI (Rural Advancement Foundation International) là một tổ chức phi chính phủ ở Canada hoạt động nhằm hạn chế ảnh hưởng của các công ty đa quốc gia về giống. Theo RAFI, các công ty đa quốc gia về công nghệ sinh học sẽ hoạt động rất mạnh trong thế kỷ 21, hiện nay những công ty này đang phát triển nhanh chóng nhờ thâu tóm các công ty nhỏ hơn và trước hết nhờ lợi nhuận khổng lồ thu được trong độc quyền bán các sản phẩm GMO. Chẳng hạn cách đây hơn 15 năm, công ty Monsanto chỉ chuyên về các sản phẩm hóa dầu, thuốc trừ sâu và trừ cỏ. Tuy nhiên, thời gian gần đây Monsanto đã đầu tư rất lớn và triển khai công nghệ gen thực vật để tạo ra các giống GMO và đang trở thành công ty giống lớn nhất thế giới. RAFI gọi Monsanto là một “Microsoft công nghệ sinh học” vì từ năm 1996 đến nay Monsanto đã mua lại nhiều công ty trước đây vốn là người khổng lồ trên thị trường hạt giống. 2.2. Sự lệ thuộc vào các công ty đa quốc gia về công nghệ sinh học RAFI tiên đoán người nông dân ở hầu hết các nước trên thế giới, kể cả các nước công nghiệp phát triển, dần dần sẽ bị lệ thuộc vào một nhóm nhỏ các công ty công nghệ sinh học đa quốc gia. Với quy chế ngặt nghèo về quyền tác giả IPR (Intellectual Property Right) hiện hành trong quan hệ kinh tế thế giới, người nông dân sẽ bị tước bỏ hoàn toàn quyền tự do trồng cây gì trên mảnh đất của mình và bán cho ai sản phẩm của mình. Lý do để các công ty như Monsanto có được nhiều quyền hạn như vậy chính là sự tiến bộ của công nghệ sinh học. Nhập môn Công nghệ sinh học 16
Chẳng hạn, gen terminator được cơ quan đăng ký bản quyền của Mỹ chính thức cấp bằng phát minh cho công ty Delta Pine (3/1998). Khi chuyển gen vào bất cứ một giống cây nào, hạt bán ra sẽ chỉ nảy mầm trong một thế hệ duy nhất. Nếu người nông dân lấy hạt để trồng vụ sau, gen này sẽ tạo ra một hợp chất giết chết mầm, vì thế hạt hoàn toàn không nảy mầm được. Với gen terminator trong tay, các công ty đa quốc gia sẽ bắt nông dân các nước hàng năm phải mua hạt giống của họ. Mặt khác, các công ty giống đang thôn tính dần các công ty chế biến lương thực, thực phẩm là đầu ra của nông sản. Vừa độc quyền hạt giống GMO lại vừa nắm các công ty chế biến nông sản, các công ty đa quốc gia công nghệ sinh học sẽ không chừa một lối thoát nào cho nông dân các nước đang phát triển. IV. Các vấn đề pháp lý của công nghệ sinh học hiện đại Công nghệ DNA tái tổ hợp đã giúp các nhà khoa học thay đổi cơ chế tiến hóa của tự nhiên, sáng tạo ra sản phẩm của gen, tạo ra các dạng sinh vật mới. Ngày càng có nhiều bằng chứng hiển nhiên về lợi ích của công nghệ DNA tái tổ hợp. Tuy nhiên, cũng phải cân nhắc đến những nguy cơ tiềm tàng của nó, và thực tế cũng đã nảy sinh một số vấn đề pháp lý quan trọng buộc chúng ta phải xem xét lại một cách thận trọng. Chẳng hạn, chúng ta có thể tham khảo hệ thống quản lý đối với các sản phẩm cây trồng của công nghệ sinh học hiện đại ở Mỹ, nơi mà lĩnh vực công nghệ sinh học được đầu tư và phát triển tốt nhất trên thế giới. Hệ thống quản lý của Mỹ là một bộ phận quan trọng nhằm đảm bảo an toàn lương thực. Phối hợp với Bộ Nông nghiệp Mỹ (USDA) và Cục Bảo vệ Môi trường (EPA), Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) đóng vai trò quản lý các loại lương thực có nguồn gốc thực vật được tạo ra nhờ công nghệ sinh học. Theo Đạo luật Lương thực, Dược phẩm và Mỹ phẩm (FD&C), FDA có thẩm quyền bảo đảm độ an toàn của tất cả các lương thực trong nước và nhập khẩu cho người và động vật trên thị trường Mỹ. Ngoại trừ thịt gia súc-gia cầm và một số sản phẩm trứng, những hạng mục này thuộc phạm vi điều tiết của USDA. Tuy nhiên, độ an toàn của dư lượng thuốc thú y trong thịt gia súc, gia cầm và thủy sản là do FDA quản lý. Thuốc trừ sâu lại chủ yếu do EPA điều tiết. Cơ quan Kiểm tra Sức khoẻ Thực vật và Động vật của USDA (APHIS) có chức năng giám sát an toàn nông Nhập môn Công nghệ sinh học 17
nghiệp và an toàn môi trường trong trồng trọt và thử nghiệm tại hiện trường các giống cây trồng được tạo ra nhờ công nghệ sinh học. Các loại lương thực và thành phần lương thực được tạo ra nhờ công nghệ sinh học phải đáp ứng những tiêu chuẩn an toàn tương tự như các tiêu chuẩn mà Đạo luật FD&C áp dụng đối với các cây trồng được tạo ra theo phương pháp lai giống thông thường. Điều này có nghĩa là các sản phẩm công nghệ sinh học cũng phải an toàn giống như các sản phẩm truyền thống trên thị trường. FDA có quyền loại trừ một loại lương thực khỏi thị trường hoặc trừng phạt những người buôn bán loại lương thực đó nếu nó gây ra rủi ro đối với sức khỏe cộng đồng. Cần lưu ý rằng Đạo luật FD&C quy định những người áp dụng công nghệ sinh học phải chịu trách nhiệm pháp lý nhằm đảm bảo rằng những lương thực mà họ bán cho người tiêu dùng phải an toàn và đáp ứng tất cả các yêu cầu về pháp lý. 1. An toàn sinh học 1.1. Sự chuyển gen bằng hạt phấn Cho tới nay không có hạt phấn của loại cây trồng biến đổi gen nào được hạn chế khả năng phát tán. Các phương thức quản lý như cách ly không gian và thời gian có thể hạn chế sự lưu chuyển gen (gene flow) giữa cây trồng, hạn chế hạt sót lại trong đất và cây sót lại sau khi thu hoạch. Việc sử dụng vùng cách ly, rào cản cây trồng và các rào cản thực vật khác giữa nguồn tạo và nơi nhận hạt phấn cũng có thể giảm mức độ phát tán hạt phấn. Thời gian hạt phấn ở trong không khí cũng khá dài, do đó có thể phát tán đến khoảng cách khá xa. Tuy nhiên, điều kiện thời tiết và môi trường thay đổi có thể gây ra sự phát tán ở những khoảng cách xa hơn nữa. Các biện pháp cách ly sinh học đang được phát triển nhằm xác định liệu sự sinh sản ở cây trồng có thể kiểm soát được hay không để tránh sự giao lưu gen qua hạt hoặc hạt phấn. Đặc biệt ở các giống hoặc dòng có cây bất dục đực, sẽ xảy ra hiện tượng lai xa với giống biến đổi gen hữu thụ ở một tần số cao hơn và khoảng cách xa hơn so với giống truyền thống. Sự tích lũy gen (gene stacking) đã được quan sát ở cây trồng và người ta dự đoán là cây trồng mang gen đa kháng sẽ trở nên phổ biến sau khi cây trồng chuyển gen được phép đưa vào thị trường, và vì vậy cây mọc hoang biến đổi gen sẽ phải cần các biện pháp diệt cỏ khác. Nhập môn Công nghệ sinh học 18
Các nghiên cứu cho thấy phần lớn sự thụ phấn chéo xảy ra ở khoảng cách ngắn và khả năng thụ phấn thành công giảm theo hàm mũ so với khoảng cách từ nguồn phát ra hạt phấn. Nhưng trên phạm vi nông trại vẫn có sự lưu chuyển gen, mặc dù mức độ xảy ra rất thấp ở một khoảng cách khá xa, vì vậy sự tách biệt hoàn toàn về mặt di truyền là rất khó duy trì. Trong khi hạt phấn đóng vai trò quan trọng trong sự phát tán theo không gian thì hạt giống đóng vai trò quan trọng trong sự phát tán theo thời gian. Do đó, khi cách ly cây trồng chuyển gen với cây trồng không chuyển gen phải tính đến chuyện trước đó cây trồng chuyển gen có được trồng trên cùng mảnh đất đó không và tập quán canh tác có gây ra sự di chuyển các hạt giữa các mảnh ruộng hay không. Ngoài ra, sự lưu chuyển gen giữa cây biến đổi gen và họ hàng của nó còn tùy thuộc vào loại tính trạng gen chuyển quy định, đặc điểm sinh học của cây (thụ phấn chéo hoặc tự thụ phấn) và bối cảnh nông nghiệp (hệ thống cây trồng, tổ chức không gian giữa các thửa ruộng). 1.2. Sự bền vững của DNA trong đất DNA của cây chuyển gen có thể được phóng thích vào môi trường từ các nguyên liệu thực vật đã già hoặc mục nát. Vấn đề này đã được khảo sát ở một số cây chuyển gen như thuốc lá (aacC1), hoa dã yên (NOS-nptII) và củ cải đường (bar/TR1, TR2/nptII, 35S/BNYVV-cp). Sự bền vững của cấu trúc DNA trong đất được phát hiện bằng cách tách chiết DNA trực tiếp từ đất, sau đó khuếch đại cấu trúc này bằng kỹ thuật PCR. Chọn lọc primer thích hợp cho phép phát hiện rõ ràng cấu trúc chuyển gen bên cạnh các gen xuất hiện tự nhiên. Với phương pháp này sự hiện diện của cấu trúc DNA có thể được phát hiện nhưng không có thông tin nào về sự hiện diện của nó trong nguyên liệu thực vật mục nát, có thể do DNA tự do đã được hấp thụ vào bề mặt đất. DNA của cây củ cải đường chuyển gen được phát hiện trong mẫu đất ở vị trí đã không sử dụng 6, 12 và 18 tháng sau khi cây củ cải đường bị cày lấp trong đất. Người ta cũng đã tìm thấy DNA cây thuốc lá chuyển gen ở trong đất sau hơn 1 năm thu hoạch. Trong khi đó DNA của hoa dã yên chuyển gen chỉ có thể phát hiện vào thời điểm 2 tháng sau khi cây được cày lấp trong đất. Nhập môn Công nghệ sinh học 19
Mặc dù chỉ có một vài khảo sát về sự bền vững của DNA cây chuyển gen ở trong đất, nhưng sự bền vững của cấu trúc trong một thời gian dài có thể được chứng minh rõ ràng. 1.3. Chuyển gen ngang từ thực vật vào vi sinh vật đất Chuyển gen ngang (horizontal gene transfer) là hiện tượng chuyển các gen hoặc nguyên liệu di truyền trực tiếp từ một cá thể riêng biệt vào một cá thể khác bằng các quá trình tương tự sự gây nhiễm. Phân biệt với một quá trình bình thường là chuyển gen dọc (vertical gene transfer)-từ bố mẹ vào con cái-xuất hiện trong quá trình sinh sản. Chuyển gen ngang trong phần này đề cập đến DNA ngoại lai của cây chuyển gen hiện diện ở trong đất, vi khuẩn phát triển khả năng để nhận gen này và cuối cùng, các trình tự này được hợp nhất trong genome của vi khuẩn. Nguy cơ của công nghệ di truyền đó là làm tăng tiềm năng của sự chuyển gen ngang qua các loài không họ hàng. Các cơ chế tế bào cho phép các gen ngoại lai xen đoạn vào genome của một loài nào đó. Các gen kháng thuốc diệt cỏ hoặc kháng kháng sinh của vi khuẩn thường được sử dụng như là các chỉ thị chọn lọc đối với cây chuyển gen. Vì thế, chuyển ngang từ thực vật vào vi sinh vật của các gen kháng như thế thường được xem như là một hiệu ứng tiềm tàng không mong muốn giữa cây chuyển gen và các vi sinh vật đất. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có bằng chứng rõ ràng về việc chuyển gen từ thực vật vào các vi sinh vật. Hiện nay, các nghiên cứu an toàn sinh học (biosafety) về chuyển gen ngang từ cây chuyển gen vào vi sinh vật (vi khuẩn và nấm) có hai hướng chính là tìm hiểu cơ chế chuyển gen từ thực vật vào vi sinh vật và đánh giá các hậu quả sinh thái của nó. Cơ chế chủ yếu của việc chuyển gen từ thực vật vào vi sinh vật là quá trình biến nạp tự nhiên đòi hỏi sự hấp thụ DNA tự do. Vi khuẩn đất có thể biến nạp tự nhiên và hợp nhất DNA ngoại lai trong genome của mình. Để chuyển gen từ thực vật vào vi sinh vật ở điều kiện đồng ruộng, không phải chỉ có cơ chế cho phép hấp thụ và sao chép trong một vật chủ mới mà sự chọn lọc vật chủ để biểu hiện một tính trạng mới là quan trọng nhất. Phát hiện chuyển gen ngang có thể thực hiện bằng cách phân tích vi khuẩn đất sau giai đoạn nuôi cấy đầu tiên. Nhập môn Công nghệ sinh học 20
1.4. Chuyển gen từ thực vật vào virus Kết quả đầu tiên về cây chuyển gen biểu hiện protein vỏ của virus khảm thuốc lá (TMV) đã ngăn chận sự phát triển của bệnh xuất hiện trong năm 1986. Phương thức này sau đó đã được sử dụng để tạo ra tính kháng cho các loại virus khác nhau, tuy nhiên các nhà di truyền học đã đặt câu hỏi về sự an toàn của cây trồng chuyển gen ngay từ những ngày đầu tiên. Nguy cơ rõ rệt nhất là tiềm năng tạo ra các virus gây nhiễm mới bằng sự tái tổ hợp, ví dụ: gen chuyển của virus (viral transgene) liên kết hoặc trao đổi các phần với nucleic acid của các virus khác. Do vỏ protein không ngăn được virus xâm nhập vào tế bào thực vật, gen chuyển (transgene) sẽ được tiếp xúc với các nucleic acid của nhiều virus được mang tới thực vật bởi các vector côn trùng (insect vector). Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các virus thực vật có thể tấn công một loạt các gen virus khác nhau từ cây chuyển gen. Chẳng hạn: - Virus gây bệnh khảm hoại tử ở cây cỏ ba lá màu đỏ (red clover necrotic mosaic virus-RCNMV) dạng khiếm khuyết đã thiếu gen cho phép nó chuyển từ tế bào này đến tế bào khác (vì thế không gây nhiễm được) đã tái tổ hợp với một bản sao của gen đó trong cây thuốc lá chuyển gen Nicotiana benthamiana, và đã sinh sản các virus gây nhiễm. - Cây cải Brassica napus chuyển gen VI, một nhân tố hoạt động dịch mã, của virus khảm súp-lơ (cauliflower mosaic virus-CaMV), đã tái tổ hợp với phần bổ sung của virus thiếu mất gen đó, và tạo ra virus gây nhiễm trong 100% cây chuyển gen. - Sự tái tổ hợp giữa CaMV dạng hoang dại và dạng chuyển gen VI được chứng minh trong N. bigelovii. Ít nhất một trong số các virus tái tổ hợp có độc tính hơn dạng hoang dại. - Cây N. benthamiana biểu hiện một đoạn gen protein vỏ của virus CCMV (cowpea chlorotic mottle virus) đã tái tổ hợp với virus khiếm khuyết thiếu gen đó. Nhiều khảo sát cho thấy trong các thí nghiệm có CaMV tần số tái tổ hợp cao hơn nhiều so với các virus khác. Trong khi CCMV tái tổ hợp được phục hồi từ 3% cây chuyển gen N. benthamiana, thì CaMV tái tổ hợp được phục hồi từ 36% cây chuyển gen N. bigelovii. Người ta nghi ngờ rằng sự đứt gãy DNA sợi đôi có thể xảy ra trong trường hợp tái tổ hợp ở CaMV do thực tế là DNA chuyển gen bao gồm cả promoter CaMV 35S. Nhập môn Công nghệ sinh học 21